Угар и обезуглероживание металла при нагреве

При высоких температурах (выше 1000° С) и при сжигании топлива с большим избытком воздуха, как это обычно бывает при нагреве стали под ковку и штамповку, процесс окисления идет быстрее, чем процесс обезуглероживания. В этом случае после удаления окалины на поверхности изделия почти не будет обезуглеро-женного слоя. Если же в печи создана атмосфера, слабо окисляющая железо, то под слоем окалины образуется обезуглероженный слой.

Количественные показатели величины угара следующие:

• весовой угар - в процентах от первоначального веса;
• поверхностный угар - количество окисленного металла, отнесенное к единице поверхности, в г/см2 или кг/м2;
• скорость окисления - отношение поверхностного угара ко времени нагрева, выраженное в г/см2·сек или г/см2·ч или кг/м2·ч;
• толщина окалины в см или в мм связана с поверхностным угаром следующим выражением:

где а - поверхностный угар в г/см2; γ - объемный вес окалины в г/см3 (γ = 3,9÷4,0 г/см3); φFe - среднее содержание железа в окалине в г/г (φFe= 0,715÷0,765 г/г).

На угар металла в печах оказывают влияние следующие факторы: состав газовой атмосферы (рис. 9), температура и продолжительность нагрева, соотношение между поверхностью и весом и химический состав нагреваемого металла. Рис. 9. Диаграмма равновесия системы: атмосфера - нагреваемый металл (сталь). АВ - пограничная линия При температуре выше 800-1000° С SО2; О2; Н2О и СО2 являются окислителями, окись углерода СО и водород Н2 - восстановителями.

Для стали при температуре ниже 650-600° С окисление практического значения не имеет. С повышением температуры угар резко возрастает. Если при температуре 900°С интенсивность образования окалины принять за единицу, то при нагреве до 1100°С она увеличивается в 3 раза, а при нагреве до 1300° С в 7 раз.

Зависимость величины поверхностного угара от температуры (в пределах 600—1150° С) и времени имеет вид

где τ - время в мин: Т - температура в °К.

Влияние времени нагрева на угар видно из табл. 17 и 18.

Влияние формы тела, характеризуемой отношением поверхности нагреваемого слитка или заготовки в м2 к весу в м, на поверхностный угар показан на рис. 10. Рис. 10. Зависимость поверхностного угара и толщины слоя металла, превратившегося в окалину, от отношения поверхности стального слитка или заготовки к его (ее) весу: 1 - поверхностный угар в г/см2; 2 - толщина окисленного слоя металла в мм. Ориентировочные значения весового угара даны в табл. 19.

Все приведенные выше данные относятся к среднеуглеродистым сталям, при этом с увеличением содержания углерода скорость окисления несколько понижается, а с уменьшением - возрастает. Легирующие примеси (алюминий, хром, кремний, молибден, кобальт и некоторые другие) сильно снижают скорость окисления.

Никель в составе стали не окисляется, но способствует окислению железа. Никелевые стали обычно окисляются сильнее,  чем  углеродистые.  Однако н присутствии хрома и других элементов никель повышает сопротивляемость стали окислению.

Таблица 17. Угар при нагреве крупных стальных слитков в зависимости от продолжительности нагрева

Таблица 18. Угар при нагреве стальных слитков и заготовок в методических печах в зависимости от продолжительности нагрева

Таблица 19. Потери металла от угара (в % по весу) при нагреве стальных заготовок и слитков в пламенных печах (печи методические, полуметодические и камерные, при загрузке и выгрузке по одной заготовке)